Современная естественнонаучная картина мира

  Физический  смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это наиболее простое состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу.

  Общий итог достаточно печален: необратимая  направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее ждет именно такая незавидная участь. Из хаоса, как утверждали древние греки, она родилась, в хаос же, как предполагает классическая термодинамика, и возвратится.

   Возникает, правда, любопытный вопрос: если Вселенная  эволюционирует только к хаосу, то как  же она могла возникнуть и сорганизоваться до нынешнего упорядоченного состояния? Однако этим вопросом классическая термодинамика не задавалась, ибо формировалась в эпоху, когда нестационарный характер Вселенной не обсуждался. В это время единственным немым укором термодинамике служила дарвиновская теория эволюции. Ведь предполагаемый этой теорией процесс развития растительного и животного мира характеризовался его непрерывным усложнением, нарастанием высоты организации и порядка. Живая природа почему-то стремилась прочь от термодинамического равновесия и хаоса. Эта явная «нестыковка» законов развития неживой и живой природы по меньшей мере удивляла.

Удивление это многократно возросло после  замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов — от элементарных и субэлементарных частиц в первые мгновения после Большого взрыва до наблюдаемых ныне звездных и галактических систем. Ведь если принцип возрастания энтропии столь универсален, как же могли возникнуть такие сложные структуры? Случайным «возмущением» в целом равновесной Вселенной их уже не объяснить. Стало ясно, что для сохранения непротиворечивости общей картины мира необходимо постулировать наличие у материи в целом не только разрушительной, но и созидательной тенденции. Материя способна осуществлять работу и против термодинамического равновесия, самоорганизовываться и самоусложняться.

  Стоит отметить, что постулат о способности  материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. На волне этих проблем и возникла синергетика — теория самоорганизации. Ее разработка началась несколько десятилетий назад, и в настоящее время она развивается по нескольким направлениям: это синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др. Не вдаваясь в детали и оттенки развития этих направлений, охарактеризуем общий смысл предлагаемого ими комплекса идей, называя их синергетическими (термин Г. Хакена).

   Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный  синергетикой, можно выразить следующим образом:

• процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны;
• процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются.

  Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям:

• они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой;
• они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия.

Но именно такими являются большинство известных  нам систем. Изолированные системы классической термодинамики — это определенная идеализация, в реальности такие системы исключение, а не правило. Сложнее со всей Вселенной в целом: если считать ее открытой системой, то что может служить ее внешней средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум.

  Итак, синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных  систем протекает путем нарастающей  сложности и упорядоченности. В  цикле развития такой системы  наблюдаются две фазы:

1. Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию.
2. Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности.

   Важная  особенность: переход системы в  новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (ее называют точкой бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай! Но после того как «выбор сделан» и система перешла в качественно новое устойчивое состояние, назад возврата нет. Процесс этот необратим. А отсюда, между прочим, следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем, однозначно спрогнозировать нельзя.

  Самый популярный и наглядный пример образования  структур нарастающей сложности — хорошо изученное в гидродинамике явление, названное ячейками Бенара. При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит. Однако при достижении им некоторого критического значения в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры в виде цилиндрических ячеек.

Сверху  такая макроупорядоченность выглядит как устойчивая ячеистая структура, похожая на пчелиные соты.

  Это хорошо знакомое всем явление с позиций  статистической механики совершенно невероятно. Ведь оно свидетельствует о том, что в момент образования ячеек Бенара миллиарды молекул жидкости, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в совершенно хаотическом движении. Создается впечатление, что каждая молекула «знает», что делают все остальные, и желает двигаться в общем строю. (Само слово «синергетика», кстати, как раз и означает «совместное действие».) Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности — не случайность, а закономерность.

  Поиск аналогичных процессов самоорганизации  в других классах открытых неравновесных систем вроде бы обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур. Все это примеры самоорганизации систем самой различной природы.

  Синергетическая интерпретация такого рода явлений  открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями.

• Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). Порядок и хаос не исключают, а дополняют друг друга: порядок возникает из хаоса.
• Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а скорее исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции.

Развитие  осуществляется через случайный  выбор одной из нескольких разрешенных  возможностей дальнейшей эволюции в  точках бифуркации. Следовательно, случайность  — не досадное недоразумение, она  встроена в механизм эволюции. А еще это означает, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором.

  Синергетика родом из физических дисциплин —  термодинамики, радиофизики, но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся  в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике  видят одну из важнейших составляющих современной научной картины  мира. 
 

  2.3Системность 

  Особенностью  современного естествознания является осознанное внедрение идей системности  во все его отрасли. Она реализуется в рамках системного подхода, т.е. исследований, в основе которых лежит изучение объектов как сложных систем. Разработкой системных идей занимается системный анализ (специальная синтетическая наука, в центре которой находится изучение сложных систем). Особый вклад системного анализа, а более широко и системного подхода, в решение различных проблем обусловлен тем, что он позволяет, во-первых, выявить те факторы и взаимосвязи, которые могут оказаться весьма существенными; во-вторых, видоизменять методику наблюдений и эксперимент таким образом, чтобы включить эти факторы в рассмотрение; в-третьих, осветить слабые места гипотез и допущений. Системный анализ с его акцентом на проверку гипотез посредством экспериментов и строгих выборочных процедур - мощный инструмент гибкого, но строгого исследования сложных явлений.

  Вероятно, мышление и процесс познания всегда были системными, хотя и неосознанно. Представления о системности  отражены в привычных для нас  оборотах речи: <Солнечная система>, <нервная система>, <система  уравнений>, <общественно-политическая система>, <система взглядов и  убеждений>, <отопительная система>. Важной предпосылкой перехода на уровень  осознанной системности и разработки системного подхода послужило появление новых задач в естествознании, связанных с изучением организации и функционирования сложных объектов, а также оперированием системами, границы и состав которых не столь очевидны.

  В настоящее время общепризнано, что  системные представления полезны  и важны в решении проблем  в различных сферах деятельности. Однако часто исследователи, назвав объект системой и декларируя использование  системного подхода, строят свое изучение на обычной, традиционной для конкретной области основе. Исследование будет  осознано системным при выполнении требований системной методологии, вырабатываемой в рамках системного подхода.

  Свойства  и классификация систем

  Центральное место в системном подходе  занимает понятие <система>. Поэтому  разные авторы, анализируя это понятие, дают определения системы с различной  степенью формализации, подчеркивая  разные ее стороны. Мы определим систему  как совокупность элементов, находящихся  в отношениях и связях друг с другом и образующих некую целостность.

  Системам  независимо от их природы присущ ряд свойств :

  О целостность - принципиальная несводимость свойств составляющих ее элементов  и невыводимость из последних  свойств целого, а также зависимость  каждого элемента, свойства и отношения  системы от его места внутри целого, функции и т.д. Например, ни одна деталь часов отдельно не может показать время, это способна сделать лишь система взаимодействующих элементов. Появление у системы специфических  свойств, не присущих ни одному элементу, называется эмерджентностью;

• структурность - возможность описания системы через установление ее структуры или, проще говоря, сети связей и отношений системы. Структурность также подразумевает обусловленность свойств и поведения системы не столько свойствами и поведением ее отдельных элементов, сколько свойствами ее структуры. Простейший пример: разные свойства алмаза и графита определяются различной структурой при одинаковом химическом составе;
• взаимозависимость системы и среды, выражающаяся в том, что система формируется и проявляет свои свойства в процессе взаимодействия со средой, являясь при этом ведущим активным компонентом взаимодействия. Действительно, сложно что-либо сказать о некоторой системе, если она себя, никак не проявляет;
• иерархичность систем, т.е. каждый компонент системы в свою очередь может рассматриваться как система, а исследуемая в конкретном случае система представляет собой один из компонентов более широкой системы. Например, живая клетка многоклеточного организма является, с одной стороны, частью более общей системы - многоклеточного организма, а с другой - сама имеет сложное строение и, безусловно, должна быть признана сложной системой;
• множественность описания системы, т.е. в силу принципиальной сложности каждой системы ее познание требует построения множества различных моделей, каждая из которых описывает лишь определенный аспект системы. Например, любое животное имеет части тела, которые могут рассматриваться как его элементы; это животное можно рассмотреть как совокупность скелета, нервной, кровеносной, мышечной и других систем; наконец, его можно проанализировать как совокупность химических элементов.